1、牙齒硬組織礦化學習內(nèi)容和要求一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 2. 牙齒硬組織的礦化過程二、脫礦的過程和機制 1. 脫礦發(fā)生的生物化學條件 2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化三、再礦化機制和應用 一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 1）生物礦化的概念 2）生物礦物的形成 3）礦化過程和機制 2. 牙齒硬組織的礦化過程 1）牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)的礦化過程 2）牙釉質(zhì)的礦化過程一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 1）生物礦化的概念 2）生物礦物的形成 3）礦化過程和機制 2. 牙齒硬組織的礦化過程 1）牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)的礦化過程 2）牙釉質(zhì)的礦化過程一、生物礦化 (Biomineralization)1.

2、生物礦化的機理 1）生物礦化：是指生物體內(nèi)的鈣、磷等無機離子在生物調(diào)控下通過化學反應形成難溶性鹽類，并與有機基質(zhì)結(jié)合，形成機體礦化組織的過程。 生物調(diào)控:礦化受基因、蛋白、細胞的調(diào)控。 有機基質(zhì)：決定礦化組織的高度有序性。 生物礦化的類型： 生理性礦化 機體無機離子+有機基質(zhì) 病理性礦化 異位礦化、礦化過度或不足 再礦化 礦物離子在正常組織或脫礦 組織的再沉積2）生物礦物的形成 生物礦物形成的條件： 組織間液和細胞內(nèi)液對鈣磷酸鹽呈 過飽和狀態(tài) 結(jié)晶析出的先決條件是過飽和 溶解 結(jié)晶 飽和狀態(tài)： 不飽和 溶解速率結(jié)晶速率 飽和 溶解與結(jié)晶平衡 過飽和 結(jié)晶速率溶解速率 生物礦物形成的過程（結(jié)晶的

3、過程）： 成核 成長或聚集 固相轉(zhuǎn)化 成核：-形成晶核 晶核：離子相互結(jié)合形成一定大小的臨 界尺度的晶相顆粒 均相成核：自發(fā)性沉淀，過程緩慢 異相成核：加入晶種或其它固體后成核 過程較快 成長或聚集： 無機離子在晶體表面的運送及結(jié)合入晶格中 無機離子固相小顆粒的沉積聚集固相轉(zhuǎn)化： 鈣、磷離子 無晶形磷酸鈣 羥基磷灰石3）礦化的過程和機制細胞的作用： 濃縮Ca2+、 PO43-無機離子 轉(zhuǎn)運Ca2+、 PO43-無機離子到細胞外 分泌礦化基質(zhì)蛋白：膠原蛋白和 非膠原蛋白 細胞濃縮和轉(zhuǎn)運礦物離子 ： 線粒體濃集，鈣泵、離子通道轉(zhuǎn)運： Ca2+-磷脂-PO43- 鈣結(jié)合蛋白-Ca2+-PO43- 形

4、成基質(zhì)小泡： Ca2+-磷脂-PO43- 濃集鈣磷形成ACP,轉(zhuǎn)移至細胞外 以后固相轉(zhuǎn)化為HAP 細胞分泌基質(zhì)蛋白： 膠原蛋白 非膠原蛋白作用： 膠原蛋白為礦物鹽提供礦化空間 非膠原蛋白 引起和指導礦化 基質(zhì)的作用： 膠原纖維： 占礦化基質(zhì)蛋白的90% 嚴格的有序結(jié)構(gòu) 作用：提供礦化空間 HA成核場所研究認為： 原膠原分子之間的空區(qū)是羥基磷灰石晶體成核的場所，晶體的生長限于膠原分子間隙內(nèi)，呈片狀微粒，其c軸平行于膠原纖維 硬組織膠原分子間隙大于軟組織膠原分子間隙非膠原蛋白： 占礦化基質(zhì)蛋白的10% 種類多、含量少，代表：磷蛋白 富含羧基和磷酸根基團 作用： 引起礦化 調(diào)節(jié)礦化 成核結(jié)晶膠原蛋白

5、非膠原蛋白通常的晶體的生長有機質(zhì)阻止特定晶面的生長，以改變晶體形貌研究認為： 非膠原蛋白的陰離子基團與鈣形成很強的靜電結(jié)合，礦物離子按陰離子基團的排列進行靜電和空間結(jié)構(gòu)的匹配，完成晶體的成核、生長和大小尺度的調(diào)控。 膠原蛋白 非膠原蛋白 CaP 結(jié)構(gòu)蛋白 功能蛋白 提供框架 引導、調(diào)控礦物晶體非膠原蛋白膠原蛋白生物礦化的過程和機制：細胞的參與（細胞調(diào)控）： 濃縮礦物離子并轉(zhuǎn)運 分泌基質(zhì)：膠原蛋白 非膠原蛋白有機基質(zhì)（蛋白調(diào)控）： 提供礦化空間（膠原蛋白） 引起和調(diào)節(jié)礦化（非膠原蛋白） 研究方向生物礦化的基因調(diào)控 基因-信號因子-細胞-蛋白 基質(zhì)蛋白的基因位點和基因表達調(diào)制 仿生礦化 疾病的病因

6、和治療 研究表明，型膠原蛋白、蛋白多糖的編碼 基因的破壞，會引起嚴重的骨疾病（OI） 非膠原蛋白的基因表達 一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 1）生物礦化的概念 2）生物礦物的形成 3）礦化過程和機制 2. 牙齒硬組織的礦化過程 1）牙本質(zhì)的礦化過程 2）牙釉質(zhì)的礦化過程2. 牙齒硬組織的礦化 1)牙本質(zhì)的礦化過程 成牙本質(zhì)細胞合成型膠原蛋白并分泌在牙乳頭的基質(zhì)中；合成磷蛋白等非膠原蛋白，輸送至礦化前沿，以共價鍵與膠原蛋白結(jié)合；濃集鈣磷，形成基質(zhì)小泡，并主動轉(zhuǎn)運至膠原纖維之間礦化形成的位點； 胞膜表面：Ca - ATP 酶 Na + / Ca 2 + 交換體 L 型鈣離子通道非膠原蛋白絡(luò)合鈣

7、磷等礦物離子，沉積于膠原中，誘導成核，形成HAP晶體，或不定型磷酸鈣，固相轉(zhuǎn)化為HAP,調(diào)節(jié)晶體的生長，排列成有序結(jié)構(gòu)，形成礦化中心，呈球形礦化，有機質(zhì)吸收，晶體長大，牙本質(zhì)發(fā)生完全礦化。牙本質(zhì)非膠原蛋白牙本質(zhì)磷蛋白(dentinphosphoprotein ,DPP) 含量最高 高磷酸化強陰離子特性, 天冬氨酸和絲氨酸殘基占氨基酸總量的70 %80 % 對鈣離子高度親和性 由成牙本質(zhì)細胞合成后,經(jīng)細胞突輸送至礦化牙本質(zhì)前緣并在該處分泌至細胞外基質(zhì)中,參與牙本質(zhì)的礦化并隨礦化成熟而減少牙本質(zhì)涎蛋白(DSP） 牙本質(zhì)特異蛋白 富含谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和甘氨酸 可能是參與生物礦化的起動或作為調(diào)

8、節(jié)因子抑制磷酸鈣的形成和生長牙本質(zhì)涎磷蛋白 (dentin sialophosphoprotein ,DSPP) 在牙本質(zhì)的礦化中起重要作用，控制膠原纖維形態(tài)和排列蛋白多糖和磷脂 磷脂和蛋白多糖在前期牙本質(zhì)中可能抑制晶體的形成, 吸附于膠原纖維表面, 形成有利于啟動晶體形成的微環(huán)境,并調(diào)節(jié)晶體的橫向生長2）牙釉質(zhì)的礦化 成釉細胞： 有機基質(zhì)合成、分泌和吸收： 釉原蛋白和非釉原蛋白 絲氨酸蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶 輸送、轉(zhuǎn)運礦物離子： 胞膜Ca泵主動轉(zhuǎn)運 被動擴散 牙釉質(zhì)的礦化過程釉質(zhì)形成初期，成釉細胞開始分泌釉原蛋白，自組裝成納米球狀結(jié)構(gòu)，表面帶負電；細胞將鈣磷礦物離子轉(zhuǎn)運到細胞外，形成過飽和環(huán)

9、境；在細胞分泌的非釉原蛋白作用下形成微晶；釉原蛋白納米球與羥基磷灰石微晶的特定晶面相互作用，抑制晶體在該晶面的生長，使其在c軸方向迅速擇優(yōu)生長；細胞分泌蛋白酶降解釉原蛋白和非釉原蛋白，晶體之間融合，達到高度礦化。牙齒硬組織礦化小結(jié)牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)礦化 成牙本質(zhì)細胞 基質(zhì)蛋白：型膠原 磷蛋白 成牙骨質(zhì)細胞牙釉質(zhì)礦化 成釉細胞 基質(zhì)蛋白：釉原蛋白 非釉原蛋白目前分子水平的研究主要集中在： 基質(zhì)蛋白基因調(diào)控與疾病的關(guān)系； 嚙齒類動物釉原蛋白基因敲除，會導致 釉質(zhì)發(fā)育缺陷。 基因重組釉原蛋白，實現(xiàn)釉質(zhì)的仿生礦化： 復雜：目的基因的獲取， 基因載體的獲取和構(gòu)建， 目的基因與載體的拼接， 重組分子導入受體細

10、胞等過程。 一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 2. 牙齒硬組織的礦化過程二、脫礦的過程和機制 1. 脫礦發(fā)生的生物化學條件 2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化三、再礦化的過程和機制 1. 再礦化的概念和機理 2. 再礦化的應用二、脫礦的過程和機制 Demineralization1. 脫礦發(fā)生的生物化學條件 1) 飽和度對脫礦的影響 2）pH值對脫礦的影響 3）有機酸種類和濃度對脫礦的影響 4）氟化物對脫礦的影響 2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化 脫礦發(fā)生的生物化學條件 牙齒脫礦(Demineralization)：在酸的作用下，牙齒礦物發(fā)生溶解，鈣和磷酸根等無機離子從牙齒中脫出、釋放的過程。 1

11、）飽和度(Degree of Saturation DS)對脫礦的影響 飽和度是脫礦發(fā)生的驅(qū)動力 不飽和是脫礦發(fā)生的前提 飽和度越低，脫礦越容易發(fā)生牙齒礦物 周圍溶液 羥基磷灰石 唾液、菌斑液、晶體周溶液Ca10(PO4)6(OH)2 10Ca2+ +6PO43- +2OH- Ca10(PO4)6(OH)2 10Ca2+ +6PO43- +2OH- 溶解結(jié)晶飽和度： DS=(Ca2+5PO43-3OH- /溶度積 ) 1/9 活度積:在一個尚未處于平衡的任意溶液中，有效離子濃度（活度）冪的乘積,不是一個常數(shù)Ca2+5PO43-3OH- 溶度積:難溶電解質(zhì)在一定溫度下，處于溶解結(jié)晶平衡狀態(tài)時，飽

12、和溶液中離子濃度冪的乘積，它是一個常數(shù)。 飽和度： DS=(活度積 /溶度積 ) 1/9 活度積 溶度積 結(jié)晶沉積牙齒礦物 周圍溶液 羥基磷灰石 唾液、菌斑液、晶體周溶液Ca10(PO4)6(OH)2 飽和度 Ca10(PO4)6(OH)2 飽和度 溶解結(jié)晶牙齒礦物周圍溶液：Ca2+ PO43- OH- 濃度 飽和度 脫礦Ca2+ PO43- OH- 濃度 飽和度 不易脫礦齲病流行病學調(diào)查顯示：菌斑中鈣、磷、氟含量高，齲患率低 唾液對牙齒礦物是過飽和的 靜止菌斑，對牙齒礦物是過飽和的 進食后，飽和度下降2）pH值對脫礦的影響 pH影響溶液飽和度 牙齒 菌斑液Ca10(PO4)6(OH)2 10

13、Ca2+6PO43-+2OH- (1) H+ H+ HPO42- H2O (2) H+ H2PO4- (3)臨界pH值（critical pH）： 當牙齒礦物周圍溶液中礦物鹽離子活度積小于釉質(zhì)的溶度積時，牙齒開始脫礦，這時的pH值稱臨界pH值。 臨界pH值存在個體差異 釉質(zhì)：臨界pH值是pH5.5左右 (食品致齲性實驗：pH5.7)pH和飽和度共同對脫礦產(chǎn)生影響:1) Gao 1991: pH2.5 過飽和 144H 不脫礦2) Theuns 1984: pH6.0 不飽和 脫礦 不同pH和飽和度造成不同形式的脫礦 兩種脫礦形式 酸蝕: pH很低 所有礦物 呈不飽和狀態(tài) 表層下脫礦: pH低

14、某些礦物 呈飽和狀態(tài) 其它礦物 呈不飽和度狀態(tài)3）有機酸種類和濃度對脫礦的影響 種類：乳酸 醋酸、檸檬酸 影響因素：解離常數(shù)不同濃度：濃度越高，脫礦越明顯 乳酸 醋酸 檸檬酸脫礦率酸濃度乳酸醋酸 4）氟化物對脫礦的影響牙齒礦物周圍溶液中的游離氟對脫礦的影響 很低濃度即可明顯降低脫礦速率 0ppm1ppm3ppm5ppm機理： 脫礦溶液中加入氟離子后,增加了對含氟磷灰石的飽和度 含氟羥基磷灰石不易發(fā)生溶解易于新形成氟離子還可增加羥基磷灰石的形成速率 利于羥基磷灰石的重新沉積 HAP晶體FAP沉積F抗釉質(zhì)晶體溶解示意圖 H+PO4 3-F-溶解Ca2+含氟礦物不易溶解阻礙了H+向晶體內(nèi)部的擴散牙齒

15、周圍溶液中有氟存在時，脫礦會被抑制氟對脫礦的作用： 溶液環(huán)境中的游離氟干擾了脫礦的動態(tài)過程，使脫礦的速率降低，抑制了脫礦的進展（不是阻止了脫礦的發(fā)生）。 以前替換機理：羥基磷灰石 +F 氟化磷灰石 溶解度低高氟0ppm低氟1ppm脫礦程度重 脫礦程度輕脫礦液脫礦液液態(tài)環(huán)境中氟的抗脫礦作用遠 大于固態(tài)存在的氟對脫礦的抑制作用結(jié)合氟 游離氟脫礦發(fā)生的化學條件小結(jié)飽和度：不飽和 驅(qū)動力pH值：臨界pH以下有機酸種類和濃度： 乳酸脫礦作用最強 濃度越高脫礦越重氟化物：游離氟離子具有抑制脫礦作用一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 2. 牙齒硬組織的礦化過程二、脫礦的過程和機制 1. 脫礦發(fā)生的生物化學條

16、件 2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化三、再礦化的過程和機制 1. 再礦化的概念和機理 2. 再礦化的應用2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化表層下脫礦：溶解過程 擴散過程 礦物鹽的沉積 (Ca,M)10(PO4, CO3,HPO4)6(OH, F, Cl )2 M = Na+、Mg2+、Sr2+ Ca 2+ PO4 3- OH- Mg2+ 、 Na+ 、Sr2+ 、 CO3 、 F- 、 HPO4酸溶 H+擴散 Ca 2+ PO4 3- OH- Mg2+ 、 Na+ 、Sr2+ 、 CO3 、 F- 、 HPO4 DCPD 二水磷酸鈣 FHA 氟化羥基磷灰石 TCP 磷酸三鈣 OCP 磷酸八鈣 TCM

17、P 鈣鎂磷灰石 CaF2 氟化鈣 AP 碳鎂氟化磷灰石沉積 離子擴散 溶解過程：擴散過程：濃度梯度 H+向牙齒組織的滲透 牙組織溶解的礦物離子向外的擴散沉積過程： 沉積物的種類依賴于局部液體的pH 和飽和度 菌斑液牙釉質(zhì) 菌斑 釉質(zhì) 晶體周溶液pH H+ 釉表晶體 H+擴散 pH 深部晶體飽和度 擴散 溶解 飽和度 溶解 Ca 2+ PO4 3- 擴散 Ca 2+ PO4 3- Ca 2+ PO4 3- CaP CaP 沉積 沉積表層下脫礦形成的機理唾液菌斑病變表層病變體部正常釉質(zhì)牙本質(zhì)釉質(zhì)表層下脫礦病變示意圖一、生物礦化 1. 生物礦化的機理 2. 牙齒硬組織的礦化過程二、脫礦的過程和機制

18、1. 脫礦發(fā)生的生物化學條件 2. 脫礦發(fā)生時牙齒的化學變化三、再礦化的過程和機制 1. 再礦化的概念和機理 2. 再礦化的應用三、再礦化的過程和機制Remineralization process and mechanisam 1. 再礦化的概念 2. 再礦化的機理 1)牙齒周圍溶液pH值和飽和度對再礦化的 影響 2)病變類型對再礦化的影響 3)氟化物對再礦化的影響 4)再礦化沉積物的性質(zhì) 3.再礦化研究的難點 1. 再礦化的概念和種類 鈣、磷和其他離子在正常礦物組織內(nèi)的再沉積，或在部分脫礦的組織內(nèi)發(fā)生的礦物質(zhì)的重新沉積，并且結(jié)晶化。 正常牙齒的再礦化 病變牙齒的再礦化2. 再礦化的機理 1)牙齒周圍溶液pH值和飽和度對再礦化的影響 再礦化發(fā)生的條件： 飽和度：過飽和 pH：臨界pH以上 再礦化需要一個適宜的而不是最大的飽和度 人工齲齒人工齲齒再礦化后3.再礦化的難點 表層下脫礦不能完全修復的原因： 表層形成了擴散